《考研计算机强化班计算机组成原理讲义.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《考研计算机强化班计算机组成原理讲义.pdf（44页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 计 算 机 组 成 原 理 考 查 目 标 计 算 机 学 科 专 业 基 础 综 合 考 试 涵 盖 数 据 机 构、计 算 机 组 成 原 理、操 作 系 统 和 计 算 机 网 络 等 学 科 专 业 基 础 课 程。要 求 考 生 比 较 系 统 地 掌 握 上 述 专 业 基 础 课 程 的 概 念、基 本 原 理 和 方 法，能 够 运 用 所 学 的 基 本 原 理 和 基 本 方 法 分 析、判 断 和 解 决 有 关 理 论 问 题 和 实 际 问 题。考 试 形 式 和 试 卷 结 构 一、试 卷 满 分 及 考 试 时 间 本 试 卷 满 分 为 150分，考 试 时
2、间 为 180分 钟 二、答 题 方 式 答 题 方 式 为 闭 卷、笔 试 三、试 卷 内 容 结 构 数 据 结 构 45分 计 算 机 组 成 原 理 45分 操 作 系 统 35分 计 算 机 网 络 25分 四、试 卷 题 型 结 构 单 项 选 择 题 80分（40小 题，每 小 题 2 分）综 合 应 用 题 70分 计 算 机 组 成 原 理【考 查 目 标】1.理 解 单 处 理 器 计 算 机 系 统 中 各 部 件 的 内 部 工 作 原 理、组 成 结 构 以 及 相 互 连 接 方 式，具 有 完 整 的 计 算 机 系 统 的 整 机 概 念。2.理 解 计 算 机
3、 系 统 层 次 化 结 构 概 念，熟 悉 硬 件 与 软 件 之 间 的 界 面，掌 握 指 令 集 体 系 结 构 的 基 本 知 识 和 基 本 实 现 方 法。3.能 够 运 用 计 算 机 组 成 的 基 本 原 理 和 基 本 方 法，对 有 关 计 算 机 硬 件 系 统 中 的 理 论 和 实 际 问 题 进 行 计 算、分 析，并 能 对 一 些 基 本 部 件 进 行 简 单 设 计。计 算 机 系 统 概 述（-）计 算 机 发 展 历 程 第 一 台 电 子 计 算 机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Compute
4、r）诞 生 于 1946年 的 美 国 宾 夕 法 尼 亚 大 学。ENIAC用 了 18000电 子 管、1500继 电 器、重 30吨、占 地 170m3、耗 电 140kw 每 秒 计 算 5000次 加 法。冯 诺 依 曼（VanNeumann）首 次 提 出 存 储 程 序 的 概 念，将 数 据 和 程 序 一 起 放 在 存 储 器 中，使 得 编 程 更 加 方 便。50多 年 来，虽 然 对 冯 诺 依 曼 机 进 行 了 很 多 改 革，但 结 构 变 化 不 大，仍 然 称 为 冯 诺 依 曼 机。一 般 把 计 算 机 的 发 展 分 为 四 个 阶 段：第 一 代（1
5、946-50 s后 期）：电 子 管 计 算 机 时 代;第 二 代（50 s中 期-60 s 后 期）：晶 体 管 计 算 机 时 代;第 三 代（60 s中 期-70 s 前 期）：集 成 电 路 计 算 机 时 代；第 四 代（7 0 初-）：大 规 模 集 成 电 路 计 算 机 时 代。（二）计 算 机 系 统 层 次 结 构 1.计 算 机 硬 件 的 基 本 组 成 计 算 机 硬 件 主 要 指 计 算 机 的 实 体 部 分，通 常 有 运 算 器、控 制 器、存 储 器、输 入 和 输 出 五 部 分。CPU是 指 将 运 算 器 和 控 制 器 集 成 到 一 个 电 路
6、 芯 片 中。2.计 算 机 软 件 的 分 类 计 算 机 软 件 按 照 面 向 对 象 的 不 同 可 分 两 类：系 统 软 件：用 于 管 理 整 个 计 算 机 系 统，合 理 分 配 系 统 资 源，确 保 计 算 机 正 常 高 效 地 运 行，这 类 软 件 面 向 系 统。应 用 软 件：是 面 向 用 户 根 据 用 户 的 特 殊 要 求 编 制 的 应 用 程 序，这 类 软 件 通 常 实 现 用 户 的 某 类 要 求。3.计 算 机 的 工 作 过 程（1）计 算 机 的 工 作 过 程 就 是 执 行 指 令 的 过 程 指 令 由 操 作 码 和 操 作 数
7、 组 成：操 作 码 地 址 码 操 作-码 指 明 本 指 令 完 成 的 操 作 地 址 码 指 明 本 指 令 的 操 作 对 象（2）指 令 的 存 储 指 令 按 照 存 储 器 的 地 址 顺 序 连 续 的 存 放 在 存 储 器 中。（3）指 令 的 读 取 为 了 纪 录 程 序 的 执 行 过 程，需 要 一 个 记 录 读 取 指 令 地 址 的 寄 存 器，称 为 指 令 地 址 寄 存 器，或 者 程 序 计 数 器。指 令 的 读 取 就 可 以 根 据 程 序 计 数 器 所 指 出 的 指 令 地 址 来 决 定 读 取 的 指 令，由 于 指 令 通 常 按
8、照 地 址 增 加 的 顺 序 存 放，故 此，每 次 读 取 一 条 指 令 之 后，程 序 计 数 器 加 一 就 为 读 取 下 一 条 指 令 做 好 准 备。（4）执 行 指 令 的 过 程 在 控 制 器 的 控 制 下，完 成 以 下 三 个 阶 段 任 务:1）取 指 令 阶 段 按 照 程 序 计 数 器 取 出 指 令，程 序 计 数 器 加 一 2）指 令 译 码 阶 段 分 析 操 作 码，决 定 操 作 内 容，并 准 备 操 作 数-2-3)指 令 执 行 阶 段 执 行 操 作 码 所 指 定 内 容(三)计 算 机 性 能 指 标 1.吞 吐 量、响 应 时 间
9、(1)吞 吐 量：单 位 时 间 内 的 数 据 输 出 数 量。(2)响 应 时 间：从 事 件 开 始 到 事 件 结 束 的 时 间，也 称 执 行 时 间。2.CPU时 钟 周 期、主 频、CPI、CPU执 行 时 间(1)CPU时 钟 周 期：机 器 主 频 的 倒 数，Tc(2)主 频：CPU工 作 主 时 钟 的 频 率，机 器 主 频 Rc(3)CPI：执 行 一 条 指 令 所 需 要 的 平 均 时 钟 周 期(4)CPU执 行 时 间:TcPU=【n X CPI X T QIn执 行 程 序 中 指 令 的 总 数 CPI执 行 每 条 指 令 所 需 的 平 均 时 钟
10、 周 期 数 TC时 钟 周 期 时 间 的 长 度 3.MIPS、MFLOPS(1)MIPS：MIPS(Million Instructions Per Second)MIPS=In/(TeX106)=ln/(InXCPIXTcX106)=Rc/(CPIX106)Te：执 行 该 程 序 的 总 时 间 In：执 行 该 程 序 的 总 指 令 数 Rc：时 钟 周 期 Tc的 到 数 MIPS只 适 合 评 价 标 量 机，不 适 合 评 价 向 量 机。标 量 机 执 行 一 条 指 令，得 到 一 个 运 行 结 果。而 向 量 机 执 行 一 条 指 令，可 以 得 到 多 个 运
11、算 结 果。(2)MFLOPS：MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)MFLOPS=Ifn/(TeX106)Ifn：程 序 中 浮 点 数 的 运 算 次 数 MFLOPS测 量 单 位 比 较 适 合 于 衡 量 向 量 机 的 性 能。一 般 而 言，同 一 程 序 运 行 在 不 同 的 计 算 机 上 时 往 往 会 执 行 不 同 数 量 的 指 令 数，但 所 执 行 的 浮 点 数 个 数 常 常 是 相 同 的。数 据 的 表 示 和 运 算(-)数 制 与 编 码 1.进 位 计 数 制 及 其 相 互 转 换
12、 1)进 位 计 数 制 进 位 计 数 制 是 指 按 照 进 位 制 的 方 法 表 示 数，不 同 的 数 制 均 涉 及 两 个 基 本 概 念：基 数 和 权。基 数：进 位 计 数 制 中 所 拥 有 数 字 的 个 数。权：每 位 数 字 的 值 等 于 数 字 乘 以 所 在 位 数 的 相 关 常 数，这 个 常 数 就 是 权。任 意 一 个 R 进 制 数 X,设 整 数 部 分 为 n 位，小 数 部 分 为 m 位，则 X 可 表 示 为：X=an-irn-+an-2rn-2+-+agr+a_ir-+a _ 2 r+-+a_mr-m一 ni(X)r=i=n-l2)不
13、同 数 制 间 的 数 据 转 换(1)二、八、十 六 进 制 数 转 换 成 十 进 制 数 利 用 上 面 讲 到 的 公 式：(N)2=EDi*2i、(N)8=EDi 8i、(N)16=LDi*16 进 行 计 算。(2)十 进 制 数 转 换 成 二 进 制 数 通 常 要 对 一 个 数 的 整 数 部 分 和 小 数 部 分 分 别 进 行 处 理，各 自 得 出 结 果 后 再 合 并。对 整 数 部 分，一 般 采 用 除 2 取 余 数 法，其 规 则 如 下：将 十 进 制 数 除 以 2,所 得 余 数(0或 1)即 为 对 应 二 进 制 数 最 低 位 的 值。然 后
14、 对 上 次 所 得 商 除 以 2,所 得 余 数 即 为 二 进 制 数 次 低 位 的 值，如 此 进 行 下 去，直 到 商 等 于 0 为 止，最 后 得 的 余 数 是 所 求 二 进 制 数 最 高 位 的 值。对 小 数 部 分，一 般 用 乘 2 取 整 数 法，其 规 则 如 下：将 十 进 制 数 乘 以 2,所 得 乘 积 的 整 数 部 分 即 为 对 应 二 进 制 小 数 最 高 位 的 值，然 后 对 所 余 数 的 小 数 部 分 部 分 乘 以 2,所 得 乘 积 的 整 数 部 分 为 次 高 位 的 值，如 此 进 行 下 去，直 到 乘 积 的 小 数
15、 部 分 为 0,或 结 果 已 满 足 所 需 精 度 要 求 为 止。(3)二 进 制 数、八 进 制 数 和 十 六 进 制 数 之 间 的 转 换 八 进 制 数 和 十 六 进 制 数 是 从 二 进 制 数 演 变 而 来 的：由 3 位 二 进 制 数 组 成 1位 八 进 制 数；由 4 位 二 进 制 数 组 成 1位 十 六 进 制 数。对 于 一 个 兼 有 整 数 和 小 数 部 分 的 数 以 小 数 点 为 界，小 数 点 前 后 的 数 分 别 分 组 进 行 处 理，不 足 的 位 数 用 0 补 足。对 整 数 部 分 将 0 补 在 数 的 左 侧，对 小
16、数 部 分 将 0 补 在 数 的 右 侧。这 样 数 值 不 会 发 生 差 错。2.真 值 和 机 器 数 真 值：数 据 的 数 值 通 常 以 正(+)负(-)号 后 跟 绝 对 值 来 表 示，称 之 为“真 值”。机 器 数：在 计 算 机 中 正 负 号 也 需 要 数 字 化，一 般 用。表 示 正 号，1表 示 负 号。把 符 号 数 字 化 的 数 成 为 机 器 数。3.BCD 码 在 计 算 机 中 采 用 4 位 二 进 制 码 对 每 个 十 进 制 数 位 进 行 编 码。4 位 二 进 制 码 有 16种 不 同 的 组 合，从 中 选 出 10种 来 表 示
17、十 进 制 数 位 的。9,用 0000,0001,，中 01分 别 表 示 0,1,，9,每 个 数 位 内 部 满 足 二 进 制 规 则，而 数 位 之 间 满 足 十 进 制 规 则，故 称 这 种 编 码 为“以 二 进 制 编 码 的 十 进 制(binary coded decimal,简 称 BCD)码”。在 计 算 机 内 部 实 现 BCD码 算 术 运 算，要 对 运 算 结 果 进 行 修 正，对 加 法 运 算 的 修 正 规 则 是:如 果 两 个 一 位 BCD码 相 加 之 和 小 于 或 等 于(1001)2,即(9)10,不 需 要 修 正；如 相 加 之
18、和 大 于 或 等 于(1010)2,或 者 产 生 进 位，要 进 行 加 6 修 正，如 果 有 进 位，要 向 高 位 进 位。4.字 符 与 字 符 串 在 计 算 机 中 要 对 字 符 进 行 识 别 和 处 理，必 须 通 过 编 码 的 方 法，按 照 一 定 的 规 则 将 字 符 用 一 组 二 进 制 数 编 码 表 示。字 符 的 编 码 方 式 有 多 种，常 见 的 编 码 有 ASCH码、EBCDIC码 等。1)ASCII 码 ASCII码 用 7位 二 进 制 表 示 一 个 字 符，总 共 128个 字 符 元 素，包 括 10个 十 进 制 数 字(0-9)
19、、52个 英 文 字 母(A-Z和 a-z)、34专 用 符 号 和 32控 制 符 号。2)EBCDIC 码 为 Extended Binary Coded Decimal Interchange Code 的 简 称，它 采 用 8 位 来 表 示 一 个 字 符。3)字 符 串 的 存 放 向 量 存 储 法：字 符 串 存 储 时，字 符 串 中 的 所 有 元 素 在 物 理 上 是 邻 接 的。串 表 存 储 法：字 符 串 的 每 个 字 符 代 码 后 面 设 置 一 个 链 接 字，用 于 指 出 下 一 个 字 符 的 存 储 单 元 的 地 址。5.校 验 码 数 据 校
20、 验 码 是 一 种 常 用 的 带 有 发 现 某 些 错 误 或 自 动 改 错 能 力 的 数 据 编 码 方 法。其 实 现 原 理，是 加 进 一 些 冗 余 码，使 合 法 数 据 编 码 出 现 某 些 错 误 时，就 成 为 非 法 编 码。这 样，可 以 通 过 检 测 编 码 的 合 法 性 来 达 到 发 现 错 误 的 目 的。合 理 地 安 排 非 法 编 码 数 量 和 编 码 规 则，可 以 提 高 发 现 错 误 的 能 力，或 达 到 自 动 改 正 错 误 的 目 的。码 距：码 距 根 据 任 意 两 个 合 法 码 之 间 至 少 有 几 个 二 进 制
21、 位 不 相 同 而 确 定 的，仅 有 一 位 不 同，称 其 码 距 为 1。1)奇 偶 校 验 码 它 的 实 现 原 理，是 使 码 距 由 1增 加 到 2。若 编 码 中 有 1位 二 进 制 数 出 错 了，即 由 1变 成 0,或 者 由 0 变 成 1。这 样 出 错 的 编 码 就 成 为 非 法 编 码，就 可 以 知 道 出 现 了 错 误。在 原 有 的 编 码 之 上 再 增 加 一 位 校 验 位，原 编 码 n 位，形 成 新 的 编 码 为 n+1位。增 加 的 方 法 有 2 种：奇 校 验：增 加 位 的 0 或 1要 保 证 整 个 编 码 中 1的 个
22、 数 为 奇 数 个。偶 校 验：增 加 位 的 0 或 1要 保 证 整 个 编 码 中 1的 个 数 为 偶 数 个。2)海 明 校 验 码 它 的 实 现 原 理，是 在 数 据 中 加 入 几 个 校 验 位，并 把 数 据 的 每 一 个 二 进 制 位 分 配 在 几 个 奇 偶 校 验 组 中。当 某 一 位 出 错 就 会 引 起 有 关 的 几 个 校 验 组 的 值 发 生 变 化，这 不 但 可 以 发 现 出 错,还 能 指 出 是 哪 一 位 出 错,为 自 动 纠 错 提 供 了 依 据。假 设 校 验 位 的 个 数 为 r,则 它 能 表 示 2r个 信 息，用
23、 其 中 的 一 个 信 息 指 出“没 有 错 误”，其 余 2*1 个 信 息 指 出 错 误 发 生 在 哪 一 位。然 而 错 误 也 可 能 发 生 在 校 验 位，因 此 只 有 k=2r-l-r个 信 息 能 用 于 纠 正 被 传 送 数 据 的 位 数，也 就 是 说 要 满 足 关 系：2r=k+r+l3)CRC校 验 码 CRC校 验 码 一 般 是 指 k 位 信 息 之 后 拼 接 r位 校 验 码。关 键 问 题 是 如 何 从 k 位 信 息 方 便 地 得 到 r 位 校 验 码，以 如 何 从 位 k+r信 息 码 判 断 是 否 出 错。将 带 编 码 的
24、k位 有 效 信 息 位 组 表 达 为 多 项 式：M(x)=CnxkT+Ck_2xk-2+Cjxi+Clx+Co式 Ci中 为 0 或 1.若 将 信 息 位 左 移 r 位，则 可 表 示 为 多 项 式 M(x).xr。这 样 就 可 以 空 出 r 位，以 便 拼 接 r位 校 验 位。CRC码 是 用 多 项 式 M(x).xr除 以 生 成 多 项 式 G(x)所 得 的 余 数 作 为 校 验 码 的。为 了 得 到 r位 余 数，G(x)必 须 是 r+1位。设 所 得 的 余 数 表 达 式 为 R(x),商 为 Q(x)。将 余 数 拼 接 在 信 息 位 组 左 移 r
25、 位 空 出 的 r 位 上，就 构 成 了 CRC码，这 个 码 的 可 用 多 项 式 表 达 为：M(x)xr+R(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x)=Q(x),G(x)因 此，所 得 CRC码 可 被 G(x)表 示 的 数 码 除 尽。将 收 到 的 CRC码 用 约 定 的 生 成 多 项 式 G(x)去 除，如 果 无 错，余 数 应 为 0,有 某 一 位 出 错，余 数 不 为 0.(二)定 点 数 的 表 示 和 运 算 1.定 点 数 的 表 示 1)无 符 号 数 的 表 示 无 符 号 数 就 是 指 正 整 数，机 器
26、字 长 的 全 部 位 数 均 用 来 表 示 数 值 的 大 小，相 当 于 数 的 绝 对 值。对 于 字 长 为 n+1位 的 无 符 号 数 的 表 示 范 围 为：0-2n+1-l2)带 符 号 数 的 表 示 带 符 号 数 是 指 在 计 算 机 中 将 数 的 符 号 数 码 化。在 计 算 机 中，一 般 规 定 二 进 制 的 最 高 位 为 符 号 位，最 高 位 为”表 示 该 数 为 正，为 表 示 该 数 为 负。这 种 在 机 器 中 使 用 符 号 位 也 被 数 码 化 的 数 称 为 机 器 数。根 据 符 号 位 和 数 值 位 的 编 码 方 法 不 同
27、，机 器 数 分 为 原 码、补 码 和 反 码。(1)原 码 表 示 法 机 器 数 的 最 高 位 为 符 号 位，0 表 示 正 数，1表 示 负 数，数 值 跟 随 其 后，并 以 绝 对 值 形 式 给 出。这 是 与 真 值 最 接 近 的 一 种 表 示 形 式。原 码 的 定 义：H x-ox 1X原=1-X=1+IXI;-1XO(2)补 码 表 示 法 机 器 数 的 最 高 位 为 符 号 位，0 表 示 正 数，1表 示 负 数，其 定 义 如 下：曲 fx；ox 1X补=2+X=2-IX I;-1WX 0(3)反 码 表 示 法 机 器 数 的 最 高 位 为 符 号，
28、0 表 示 正 数，1表 示 负 数。反 码 的 定 义：一 X;0 X 1口 反=2-2-n+X;-1 X 02.定 点 数 的 运 算 1)定 点 数 的 位 移 运 算 左 移，绝 对 值 扩 大；右 移，绝 对 值 缩 小。算 术 移 位 规 则 符 号 位 不 变-6-码 制 添 补 代 码 正 数 0负 数 原 0补 右 移 添 0左 移 添 1反 1算 术 移 位 和 逻 辑 移 位 的 区 别：算 术 移 位：带 符 号 数 移 位；逻 辑 移 位：无 符 号 数 移 位；2)原 码 定 点 数 的 加/减 运 算；对 原 码 表 示 的 两 个 操 作 数 进 行 加 减 运
29、 算 时，计 算 机 的 实 际 操 作 是 加 还 是 减，不 仅 取 决 指 令 中 的 操 作 码，还 取 决 于 两 个 操 作 数 的 符 号。而 且 运 算 结 果 的 符 号 判 断 也 较 复 杂。例 如，加 法 指 令 指 示 做(+A)+(-B)由 于 一 操 作 数 为 负，实 际 操 作 是 做 减 法(+A)-(+B),结 果 符 号 与 绝 对 值 大 的 符 号 相 同。同 理，在 减 法 指 令 中 指 示 做(+A)-(-B)实 际 操 作 做 加 法(+A)+(+B),结 果 与 被 减 数 符 号 相 同。由 于 原 码 加 减 法 比 较 繁 琐，相 应
30、 地 需 要 由 复 杂 的 硬 件 逻 辑 才 能 实 现，因 此 在 计 算 机 中 很 少 被 采 用。3)补 码 定 点 数 的 加/减 运 算；加 法 整 数 小 数(2)减 法 用 补+用 补=出 我 补(mod 2加 1)4 补+补=小 8 补(mod 2)整 数 川 补 小 数 川 补 团 补=4+(-切 补=川 补+-8 补(mod 2 m)切 补=4+(-9 补=川 补+-因 补(mod 2)无 需 符 号 判 定，连 同 符 号 位 一 起 相 加，符 号 位 产 生 的 进 位 自 然 丢 掉 4)定 点 数 的 乘/除 运 算(1)一 位 乘 法 1 原 码 定 点
31、一 位 乘 法 两 个 原 码 数 相 乘，其 乘 积 的 符 号 为 相 乘 两 数 的 异 或 值，数 值 两 数 绝 对 值 之 积。设 X 原=X0 XI X2-Xn 丫 原=丫 0 Y1 Y2-Yn X 丫 原=幻 原 Y 原=(XOYO)|(XI X2 Xn)(Y1 Y2 Yn)符 号 I表 示 把 符 号 位 和 数 值 邻 接 起 来。2 定 点 补 码 一 位 乘 法 有 的 机 器 为 方 便 加 减 法 运 算，数 据 以 补 码 形 式 存 放。乘 法 直 接 用 补 码 进 行，以 减 少 转 换 次 数。具 体 规 则 如 下：丫 补=幻 补(-Y0+0.Y1 Y2
32、-Yn)3 布 斯 法“布 斯 公 式”：在 乘 数 Yn后 添 加 Yn+l=0。按 照 Yn+1,Yn相 邻 两 位 的 三 种 情 况，其 运 算 规 则 如 下：(1)Yn+1,Yn=0(Yn+1 Yn=00 或 11),部 分 积 加 0,右 移 1 位；(2)Yn+1,Yn=1(Yn+1 Yn=1 0),部 分 积 加 X 补，右 移 1 位；(3)Yn+1,Yn=-1(Yn+1 Yn=0 1)，部 分 积 加-X 补，右 移 1 位最 后 一 步 不 移 位。(2)两 位 乘 法 1 原 码 两 位 乘 法，因 此 实 际 操 作 用 Y i-1、Yi、C三 位 来 控 制，运
33、算 规 则 如 下 2 补 码 两 位 乘 法 根 据 前 述 的 布 斯 算 法，将 两 步 合 并 成 一 步，即 可 推 导 出 补 码 两 位 乘 的 公 式。Yi-1 Yi c 操 作 0 0 0+0,右 移 2 位 0-C0 0 1+x,右 移 2 位 0-C0 1 0+x,右 移 2 位 0-C0 1 1+2X,右 移 2 位 0-C1 0 0+2X,右 移 2 位 0-C1 0 1-x,右 移 2 位 1-C1 1 0-x,右 移 2 位 1-C1 1 1+0,右 移 2 位 1-C求 部 分 积 的 次 数 和 右 移 操 作 的 控 制 问 题。Y n i-1 Yn-i Y
34、n-i+1 Pi+2补 0 0 0+0,右 移 2 位 0 0 1+X 补，右 移 2 位 0 1 0+X 补，右 移 2 位 0 1 1+2 X 补，右 移 2 位 1 0 0-2 X 补,右 移 2 位 1 0 1 TX 补，右 移 2 位 1 1 0-X 补，右 移 2 位 1 1 1+0,右 移 2 位 当 乘 数 由 1位 符 号 位 和 以 n(奇 数)位 数 据 位 组 成 时，求 部 分 积 的 次 数 为(1+n)/2,而 且 最 后 一 次 的 右 移 操 作 只 右 移 一 位。若 数 值 位 本 身 为 偶 数 n,可 采 用 下 述 两 种 方 法 之 r 可 在 乘
35、 数 的 最 后 一 位 补 一 个 0,乘 数 的 数 据 位 就 成 为 奇 数，而 且 其 值 不 变，求 部 分 积 的 次 数 为 l+(n+l)/2,即 n/2+l,最 后 一 次 右 移 操 作 也 只 右 移 一 位。乘 数 增 加 一 位 符 号 位，使 总 位 数 仍 为 偶 数，此 时 求 部 分 积 的 次 数 为 n/2+l,而 且 最 后 一 次 不 再 执 行 右 移 操 作。(3)补 码 除 法 1 定 点 原 码 一 位 除 法 1 恢 复 余 数 法 被 除 数(余 数)减 去 除 数，如 果 为 0 或 者 为 正 值 时，上 商 为 1,不 恢 复 余
36、数；如 果 结 果 为 负，上 商 为 0,再 将 除 数 加 到 余 数 中，恢 复 余 数。余 数 左 移 1位。2 加 减 交 替 法 当 余 数 为 正 时，商 上 1,求 下 位 商 的 办 法，余 数 左 移 一 位，再 减 去 除 数；当 余 数 为 负 时，商 上 0,求 下 一 位 商 的 办 法，余 数 左 移 一 位，再 加 上 除 数。2 定 点 补 码 一 位 除 法(加 减 交 替 法)1)如 果 被 除 数 与 除 数 同 号，用 被 除 数 减 去 除 数；若 两 数 异 号，被 除 数 加 上 除 数。如 果 所 得 余 数 与 除 数 同 号 商 上 1,否
37、 则，商 上 0,该 商 为 结 果 的 符 号 位。2)求 商 的 数 值 部 分。如 果 上 次 商 上 1,将 除 数 左 移 一 位 后 减 去 除 数；如 果 上 次 商 上 0,将 余 数 左 移 一 位 后 加 除 数。然 后 判 断 本 次 操 作 后 的 余 数，如 果 余 数 与 除 数 同 号 商 上 1,如 果-8-余 数 与 除 数 异 号 商 上 0。如 此 重 复 执 行 n-1次（设 数 值 部 分 n 位）。3）商 的 最 后 一 位 一 般 采 用 恒 置 1的 办 法，并 省 略 了 最 低+1的 操 作。此 时 最 大 的 误 差 为 2 F。5）溢 出
38、 概 念 和 判 另 U方 法 当 运 算 结 果 超 出 机 器 数 所 能 表 示 的 范 围 时，称 为 溢 出。显 然，两 个 异 号 数 相 加 或 两 个 同 号 数 相 减，其 结 果 是 不 会 溢 出 的。仅 当 两 个 同 号 数 相 加 或 者 两 个 异 号 数 相 减 时，才 有 可 能 发 溢 出 的 情 况，一 旦 溢 出，运 算 结 果 就 不 正 确 了，因 此 必 须 将 溢 出 的 情 况 检 查 出 来。判 别 方 法 有 三 种：1）当 符 号 相 同 的 两 数 相 加 时，如 果 结 果 的 符 号 与 加 数（或 被 加 数）不 相 同，则 为
39、溢 出。2）当 任 意 符 号 两 数 相 加 时，如 果 C=Cf,运 算 结 果 正 确，其 中 C 为 数 值 最 高 位 的 进 位，Cf为 符 号 位 的 进 位。如 果 CWCf,则 为 溢 出，所 以 溢 出 条 件=C6Cf o3）采 用 双 符 号 fs2fsl。正 数 的 双 符 号 位 为 00,负 数 的 双 符 号 位 为 11。符 号 位 参 与 运 算，当 结 果 的 两 个 符 号 位 甲 和 乙 不 相 同 时，为 溢 出。所 以 溢 出 条 件=fs2fsl,或 者 溢 出 条 件=fs2fsl+fs2fsl（三）浮 点 数 的 表 示 和 运 算 1.浮
40、点 数 的 表 示 1）浮 点 数 的 表 示 范 围；浮 点 数 是 指 小 数 点 位 置 可 浮 动 的 数 据，通 常 以 下 式 表 示：N=M RE其 中，N 为 浮 点 数，M 为 尾 数，E 为 阶 码，R 称 为“阶 的 基 数（底）”，而 且 R 为 一 常 数，一 般 为 2、8 或 16。在-台 计 算 机 中，所 有 数 据 的 R 都 是 相 同 的，于 是 不 需 要 在 每 个 数 据 中 表 示 出 来。因 此，浮 点 数 的 机 内 表 示 一 般 采 用 以 下 形 式：浮 点 数 的 机 内 表 示 般 采 用 以 下 形 式：Ms E M1位 n+1位
41、 m 位 Ms是 尾 数 的 符 号 位，设 置 在 最 高 位 上。E 为 阶 码，有 n+1位，一 般 为 整 数，其 中 有 一 位 符 号 位，设 置 在 E 的 最 高 位 上，用 来 表 正 阶 或 负 阶。M 为 尾 数，有 m 位，由 Ms和 M 组 成 一 个 定 点 小 数。Ms=0,表 示 正 号，Ms=l,表 示 负。为 了 保 证 数 据 精 度 属 数 通 常 用 规 格 化 形 式 表 示：当 R=2,且 尾 数 值 不 为 0 时，其 绝 对 值 大 于 或 等 于（0.5）10。对 非 规 格 化 浮 点 数，通 过 将 尾 数 左 移 或 右 移，并 修 改
42、 阶 码 值 使 之 满 足 规 格 化 要 求。2）IEEE754 标 准 根 据 IEEE 754国 际 标 准，常 用 的 浮 点 数 有 两 种 格 式：（1）单 精 度 浮 点 数（32位），阶 码 8 位，尾 数 24位（内 含：位 符 号 位）。（2）双 精 度 浮 点 数（64位），阶 码 11位，尾 数 53位（内 含：位 符 号 位）。单 精 度 格 式 32位，阶 码 为 8 位，尾 数 为 23位。另 有 一 位 符 号 位 S,处 在 最 高 位。由 于 IEEE754标 准 约 定 在 小 数 点 左 部 有 一 位 隐 含 位，从 而 实 际 有 效 位 数 为
43、24位。这 样 使 得 尾 数 的 有 效 值 变 为 L M。例 如，最 小 为 xl.O0,最 大 为 xl.l1。规 格 化 表 示。故 小 数 点 左 边 的 位 横 为 1,可 省 去。阶 码 部 分 采 用 移 码 表 示，移 码 值 127,1到 254经 移 码 为-126至 什 127。S(1 位)E（8 位）M(23 位)N（共 32位）符 号 位 0 0 0符 号 位 0 不 等 于 0(-l)S-2-126(0.M)为 非 规 格 化 数 符 号 位 1 到 254之 间-(-DS 2E-127(1.M)为 规 格 化 数 符 号 位 255 不 等 于 0 NaN（非
44、 数 值）符 号 位 255 0 无 穷 大 0 有 了 精 确 的 表 示，无 穷 大 也 明 确 表 示。对 于 绝 对 值 较 小 的 数，可 以 采 用 非 规 格 化 数 表 示，减 少 下 溢 精 度 损 失。非 规 格 化 数 的 隐 含 位 是 0,不 是 I。2.浮 点 数 的 加/减 运 算 加 减 法 执 行 下 述 五 步 完 成 运 算：1）“对 阶”操 作 比 较 两 浮 点 数 阶 码 的 大 小，求 出 其 差,保 留 其 大 值 E,E=max（Ex,Ey）当 AE#0时，将 阶 码 小 的 尾 数 右 移 A E 位，并 将 其 阶 码 加 上 A E,使
45、两 数 的 阶 码 值 相 等。2）尾 数 加 减 运 算 执 行 对 阶 之 后，两 尾 数 进 行 加 减 操 作。3）规 格 化 操 作 规 格 化 的 目 的 是 使 得 尾 数 部 分 的 绝 对 值 尽 可 能 以 最 大 值 的 形 式 出 现。4）舍 入 在 执 行 右 规 或 者 对 阶 时，尾 数 的 低 位 会 被 移 掉，使 数 值 的 精 度 受 到 影 响，常 用“0”舍“1”入 法。当 移 掉 的 部 分 最 高 位 为 1 时，在 尾 数 的 末 尾 加 1,如 果 加 1 后 又 使 得 尾 数 溢 出，则 要 再 进 行 一 次 右 规。5）检 查 阶 码
46、是 否 溢 出 阶 码 溢 出 表 示 浮 点 数 溢 出。在 规 格 化 和 舍 入 时 都 可 能 发 生 溢 出，若 阶 码 正 常，力 口/减 运 算 正 常 结 束。若 阶 码 下 溢，则 设 置 机 器 运 算 结 果 为 机 器 零，若 上 溢，则 设 置 溢 出 标 志。（四）算 术 逻 辑 单 元 ALU1.串 行 加 法 器 和 并 行 加 法 器 1）串 行 进 位 加 法 器 并 行 加 法 器 可 以 同 时 对 数 据 的 各 位 进 行 相 加，一 般 用 n 个 全 加 器 来 实 现 2 个 操 作 数 的 各 位 同 时 向 加。其 操 作 数 的 各 位
47、是 同 时 提 供 的，由 于 进 位 是 逐 位 形 成，低 位 运 算 所 产 生 的 进 位 会 影 响 高 位 的 运 算 结 果。串 行 进 位（也 称 波 形 进 位）加 法 器，逻 辑 电 路 比 较 简 单，但 是 最 高 位 的 加 法 运 算，一 定 要 等 到 所 有 低 位 的 加 法 完 成 之 后 才 能 进 行，低 位 的 进 位 要 逐 步 的 传 递 到 高 位，逐 级 产 生 进 位，因 此 运 算 速 度 比 较 慢。-10-串 行 进 位 加 法 器 2)并 行 进 位 加 法 器 为 了 提 高 运 算 速 度，减 少 延 迟 时 间，可 以 采 用
48、并 行 进 位 法，也 叫 提 前 进 位 或 先 行 进 位。全 加 器 中,输 入 A i、Bi、Ci-1,输 出:Si=Ai Bi Ci-l+Ai Bi Ci-l+Ai Bi Ci-l+Ai Bi Ci-1Ci=Ai Bi Ci-l+Ai Bi Ci-l+Ai Bi Ci-l+Ai Bi Ci-1=Ai Bi+(Ai+Bi)Ci-l进 位 产 生 函 数：Gi=Ai Bi进 位 传 递 函 数：Pi=Ai+BiCi=Gi+Pi Ci-1C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0并 行 进 位 加 法 器 的 运 算 速 度 很 快，形 成 最 高 进 位
49、输 出 的 延 迟 时 间 很 短，但 是 以 增 加 硬 件 逻 辑 线 路 为 代 价。对 于 长 字 长 的 加 法 器，往 往 将 加 法 器 分 成 若 干 组，在 组 内 采 用 并 行 进 位，组 间 则 采 用 串 行 进 位 或 并 行 进 位，山 此 形 成 多 种 进 位 结 构。(1)单 级 先 行 进 位 单 级 先 行 进 位 方 式 将 n 位 字 长 分 为 若 干 组，每 组 内 采 用 并 行 进 位 方 式，组 与 组 之 间 册 采 用 串 行 进 位 方 式。(2)多 级 先 行 进 位 多 级 先 行 进 位 在 组 内 和 组 间 都 采 用 先
50、行 进 位 方 式。16位 单 级 先 行 进 位 加 法 器 2.算 术 逻 辑 单 元 ALU的 功 能 和 机 构 ALU部 件 是 运 算 器 中 的 主 要 组 成 部 分，又 称 为 多 功 能 函 数 发 生 器，主 要 用 于 完 成 各 种 算 术 运 算 和 逻 辑 运 算。ALU的 算 术 运 算 部 件 包 含 加 法 器、减 法 器、乘 法 器、除 法 器、增 量 器(+1)、减 量 器(-1)、BCD码 运 算 器 等 组 件。ALU的 主 要 工 作 是 根 据 CPU的 指 令 要 求 执 行 各 种 指 定 的 运 算，如 加 法、减 法、乘 法、除法、比 较